DE102022119383A1

DE102022119383A1 - Field device with thermal conduction structure

Info

Publication number: DE102022119383A1
Application number: DE102022119383.7A
Authority: DE
Inventors: Fabian Witt; Tobias Bader
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2022-08-02
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2024-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät mit einem Gehäuse (12), wobei das Gehäuse (12) ein erstes, prozessfernes Ende (16) und ein zweites, prozessnahes Ende (18) aufweist und wobei in dem Gehäuse (12) an dem ersten, prozessfernen Ende (16) eine Elektronik (20) angeordnet ist, und wobei in dem Gehäuse (12) an dem zweiten, prozessnahen Ende (18) ein Sensorelement (26) angeordnet ist und wobei das Gehäuse (12) an dem zweiten, prozessnahen Ende (18) einen Prozessanschluss (38) aufweist, wobei in dem Gehäuse (12) eine Wärmeleitstruktur (42) angeordnet ist, welche sich von dem zweiten, prozessnahen Ende (18) in Richtung des ersten, prozessfernen Endes (16) bis zu einem Abführabschnitt (46) an einer Gehäusewand erstreckt und wobei die Wärmeleitstruktur (42) derart ausgelegt ist, dass der thermische Widerstand eines Verbindungspfades (A) zwischen dem zweiten, prozessnahen Ende (18) und dem Abführabschnitt (46) über die Wärmeleitstruktur (42) geringer ist als der thermische Widerstand jedes anderen Verbindungspfades (B1, B2) vom zweiten prozessnahen Ende (18) zur Elektronik (20). The invention relates to a field device with a housing (12), wherein the housing (12) has a first end (16) remote from the process and a second end (18) close to the process, and wherein in the housing (12) at the first end remote from the process (16) electronics (20) is arranged, and wherein a sensor element (26) is arranged in the housing (12) at the second end (18) close to the process and wherein the housing (12) is arranged at the second end (18) close to the process ) has a process connection (38), wherein a heat-conducting structure (42) is arranged in the housing (12), which extends from the second end (18) close to the process in the direction of the first end (16) remote from the process to a discharge section (46 ) extends on a housing wall and wherein the heat-conducting structure (42) is designed such that the thermal resistance of a connection path (A) between the second end (18) near the process and the discharge section (46) via the heat-conducting structure (42) is lower than that thermal resistance of every other connection path (B1, B2) from the second end (18) close to the process to the electronics (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Feldgerät in Form eines nach dem Radarprinzip arbeitenden Füllstandmessgerät (auch als Radarsensor bezeichnet).The present invention relates to a field device according to the preamble of patent claim 1. In particular, the invention relates to a field device in the form of a fill level measuring device (also referred to as a radar sensor) operating on the radar principle.

In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte und Druckmessgeräte mit Sensoreinheiten, die die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Grenzstand oder Druck oder auch davon abgeleitete Prozessgrößen erfassen. „Feld“ bezeichnet dabei den Bereich außerhalb von Leitwarten. Feldgeräte können damit insbesondere Aktoren, Sensoren, Datensammler (Datenlogger) und Messumformer sein. Häufig sind solche Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, zum Beispiel Leitsystemen oder Steuereinheiten, verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung. Die aus dem Stand der Technik bekannten Feldgeräte weisen in der Regel ein Gehäuse, eine Sensoreinheit und ein in dem Gehäuse angeordnetes Elektronikmodul auf. Die gemessenen Prozessgrößen werden üblicherweise ausgewertet und dessen Ergebnisse können beispielsweise zur Erzeugung eines Schaltbefehls und/oder einer proportionalen analogen oder digitalen Ausgangsgröße oder zur Anzeige von physikalischen Eigenschaften oder Prozessgrößen genutzt werden.In process automation technology, field devices are often used that are used to record and/or influence process variables. Examples of such field devices are level measuring devices, limit level measuring devices and pressure measuring devices with sensor units that record the corresponding process variables level, limit level or pressure or process variables derived therefrom. “Field” refers to the area outside of control rooms. Field devices can therefore in particular be actuators, sensors, data collectors (data loggers) and measuring transducers. Such field devices are often connected to higher-level units, such as control systems or control units. These higher-level units are used for process control, process visualization and/or process monitoring. The field devices known from the prior art generally have a housing, a sensor unit and an electronics module arranged in the housing. The measured process variables are usually evaluated and the results can be used, for example, to generate a switching command and/or a proportional analog or digital output variable or to display physical properties or process variables.

Feldgeräte werden zum Teil auch für die Überwachung und Steuerung von Prozessen mit sehr hohen Prozesstemperaturen eingesetzt. Insbesondere im Bereich der hygienischen Anwendungen, bspw. in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie werden solch hohe Temperaturen erreicht, wenn bspw. ein CIP- (Clean in Place - Reinigung am Einbauort) oder SIP- (Sterilisation in Place - Sterilisierung am Einbauort) Prozess des Prozessbehälters und des Feldgeräts erfolgt. Bei diesen Prozessen werden die Prozessbehälter und die verbaute Messtechnik mittels unterschiedlicher Reinigungslösungen und Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen und erhöhtem Druck gereinigt und/oder sterilisiert. Die hohen Temperaturen von teilweise bis zu 140 °C müssen bspw. von einer temperaturempfindlichen Elektronik des Feldgeräts abgehalten werden.Field devices are sometimes also used to monitor and control processes with very high process temperatures. Particularly in the area of hygienic applications, for example in the food or pharmaceutical industry, such high temperatures are reached when, for example, a CIP (Clean in Place - cleaning at the installation site) or SIP (Sterilization in Place - sterilization at the installation site) process Process container and the field device. In these processes, the process containers and the built-in measurement technology are cleaned and/or sterilized using different cleaning solutions and steam at elevated temperatures and pressure. The high temperatures, sometimes up to 140 °C, must be prevented, for example, by temperature-sensitive electronics of the field device.

Im Feldgerät selbst ist üblicherweise Elektronik angeordnet, welche nur eine gewisse maximale Einsatztemperatur aufweist, die nicht überschritten werden darf. Typischerweise darf die Elektronik nicht dauerhaft auf über 90° erhitzt werden. Dies betrifft insbesondere in der Elektronik verbaute integrierte Schaltungen und eingebaute Chips, wie z.B. auch einen Radarchip. Das Feldgerät muss daher so aufgebaut sein, dass es auch bei hohen Betriebstemperaturen eingesetzt werden kann und gleichzeitig die sensible Elektronik nicht wärmegeschädigt wird.Electronics are usually arranged in the field device itself, which only have a certain maximum operating temperature that must not be exceeded. Typically, the electronics must not be permanently heated to over 90°. This particularly applies to integrated circuits and chips built into electronics, such as a radar chip. The field device must therefore be constructed in such a way that it can be used even at high operating temperatures and at the same time the sensitive electronics are not damaged by heat.

Die Wärme aus dem Prozess wird vorrangig über den Prozessanschluss bzw. ein zum Prozess gerichtetes Sensorelement in das Feldgerät eingetragen. Im Falle eines Radarsensors kann die Wärme zusätzlich zum Prozessanschluss auch über ein Antennensystem zur Abstrahlung der Radarsignale, d.h. insbesondere eine Linse und eine Hornantenne in das Feldgerät eingetragen werden.The heat from the process is primarily introduced into the field device via the process connection or a sensor element directed towards the process. In the case of a radar sensor, in addition to the process connection, the heat can also be introduced into the field device via an antenna system for radiating the radar signals, i.e. in particular a lens and a horn antenna.

Im Stand der Technik existieren verschiedene Maßnahmen, wie bspw. Abstandsstücke, Kühlkörper, isolierte Gehäuse und aktive Kühleinrichtungen, mittels derer der Temperatureinsatzbereich von Feldgeräten zumindest kurzzeitig oder auch dauerhaft erweitert werden kann.There are various measures in the prior art, such as spacers, heat sinks, insulated housings and active cooling devices, by means of which the temperature range of field devices can be extended at least briefly or permanently.

Abstandsstücke oder auch Distanzstücke vergrößern den Abstand zwischen dem prozessnahen Ende des Feldgeräts und einer Elektronik. Durch die Vergrößerung des Abstands wird erreicht, dass eine Temperaturerhöhung in der Prozessumgebung nicht oder nur reduziert bis zu der Elektronik vordringt, sodass diese nicht geschädigt wird. Es wird an dieser Ausgestaltung jedoch als nachteilig empfunden, dass sich die Baulänge des Feldgeräts mit steigender zu erwartender Temperatur nicht unerheblich vergrößert, was die Einsatzmöglichkeiten dieser Feldgeräte reduziert.Spacers or spacers increase the distance between the end of the field device close to the process and electronics. Increasing the distance ensures that an increase in temperature in the process environment does not reach the electronics or only reaches them to a reduced extent, so that they are not damaged. However, what is perceived as a disadvantage of this embodiment is that the overall length of the field device increases significantly as the expected temperature increases, which reduces the possible uses of these field devices.

Alternativ können thermisch hochisolierte Gehäuse vorgesehen sein, bei denen ein Innenraum des Gehäuses, in dem bspw. die Elektronik angeordnet ist, durch Isolationsmaterialien oder thermische Trennung, bspw. durch ein doppelwandiges Gehäuse vor thermischen Einflüssen geschützt ist. Solche Gehäuse sind aber aufwändig und kostenintensiv in der Herstellung und meist deutlich größer als herkömmliche Gehäuse vergleichbarer Feldgeräte.Alternatively, highly thermally insulated housings can be provided, in which an interior of the housing, in which, for example, the electronics is arranged, is protected from thermal influences by insulating materials or thermal separation, for example by a double-walled housing. However, such housings are complex and expensive to produce and are usually significantly larger than conventional housings for comparable field devices.

Ferner ist es möglich, aktive Kühleinrichtungen vorzusehen. Solche aktiven Kühleinrichtungen, die bspw. nach dem Prinzip einer Kältemaschine arbeiten, sind technisch aufwändig und teuer in der Herstellung. Ferner haben solche aktiven Kühleinrichtungen einen hohen Energiebedarf und können daher aufgrund des begrenzten Energiebudgets in viele Feldgeräte nicht ohne weiteres integriert werden.It is also possible to provide active cooling devices. Such active cooling devices, which work, for example, on the principle of a refrigeration machine, are technically complex and expensive to produce. Furthermore, such active cooling devices have a high energy requirement and therefore cannot be easily integrated into many field devices due to the limited energy budget.

Gemäß dem Stand der Technik ist die Elektronik im einfachsten Fall derart weit vom prozessseitigen Ende des Feldgerätes entfernt angeordnet, dass über die Gehäuseaußenwand außerhalb des Prozesses eine ausreichende Wärmemenge an die Umgebung abgegeben werden kann, damit die Elektronik selbst auch bei hohen Betriebstemperaturen nicht überhitzt. Allerdings hat dies zur Folge, dass die Elektronik sehr weit entfernt vom Prozessanschluss angeordnet werden muss und somit das Feldgerät besonders große Außenmaße aufweist.According to the state of the art, in the simplest case the electronics are so far removed from the process The end of the field device is arranged at a distance so that a sufficient amount of heat can be released into the environment via the outer wall of the housing outside the process so that the electronics themselves do not overheat even at high operating temperatures. However, this means that the electronics have to be located very far away from the process connection and the field device therefore has particularly large external dimensions.

Es wird an diesen Feldgeräten als Nachteil empfunden, dass diese eine sehr lange Bauform aufweisen und daher teilweise nur schwierig, oder aufgrund der langen Bauform nicht eingesetzt werden können. Es gibt daher den allgemeinen Bedarf an kompakten Feldgeräten, die auch bei hohen Prozesstemperaturen eingesetzt werden können.A disadvantage of these field devices is that they have a very long design and are therefore sometimes difficult to use or cannot be used due to the long design. There is therefore a general need for compact field devices that can also be used at high process temperatures.

Die zugrundliegende Aufgabe der Erfindung ist es, ein Feldgerät zur Verfügung zu stellen, mittels welchem auch bei geringer Bauhöhe ein ausreichender Schutz der Elektronik gegenüber Wärme realisiert ist.The underlying object of the invention is to provide a field device by means of which adequate protection of the electronics against heat is achieved even with a low overall height.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen und Vorteile sind in Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The problem is solved according to the invention with the features of the independent claims. Further embodiments and advantages are described in connection with the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßes Feldgerät umfasst ein Gehäuse, wobei das Gehäuse ein erstes, prozessfernes Ende und ein zweites, prozessnahes Ende aufweist. Als Ende werden hier insbesondere Abschnitte des Gehäuses bezeichnet, welche in Richtung Prozess oder abgewandt des Prozesses orientiert sind. Insbesondere umfasst ein Ende einen Abschnitt, der sich über bis zu einem Drittel der Länge des Gehäuses erstreckt.A field device according to the invention comprises a housing, the housing having a first end remote from the process and a second end close to the process. The end here refers in particular to sections of the housing that are oriented towards the process or away from the process. In particular, one end includes a section that extends up to a third of the length of the housing.

In dem Gehäuse ist an dem ersten, prozessfernen Ende eine Elektronik angeordnet. Bei der Elektronik handelt es sich insbesondere um eine Auswerte- und/oder Steuerelektronik. Im Falle eines Radarsensors umfasst die Elektronik insbesondere auch einen Radarchip bzw. einen Transducer zur Erzeugung und zum Empfang von Radarstrahlung.Electronics are arranged in the housing at the first end remote from the process. The electronics are in particular evaluation and/or control electronics. In the case of a radar sensor, the electronics also include, in particular, a radar chip or a transducer for generating and receiving radar radiation.

In dem Gehäuse ist ferner an dem zweiten, prozessnahen Ende ein Sensorelement angeordnet. Als Sensorelement kann beispielsweise eine Schwinggabel oder eine Druckmesszelle dienen. Insbesondere kann hier jedoch als Sensorelement eine Hornantenne und ggf. eine dazu korrespondierende Linse angeordnet sein.A sensor element is also arranged in the housing at the second end near the process. For example, a tuning fork or a pressure measuring cell can serve as a sensor element. In particular, however, a horn antenna and possibly a corresponding lens can be arranged here as a sensor element.

Das Gehäuse weist zudem an dem zweiten, prozessnahen Ende einen Prozessanschluss auf, mittels welchem das Feldgerät an einem Behälter befestigbar ist. Der Prozessanschluss ist Teil des Gehäuses und kann einstückig mit dem weiteren Teil des Gehäuses oder auch separat ausgebildet sein. Der Prozessanschluss bildet die mechanische Schnittstelle zwischen dem Feldgerät und der Prozessumgebung, also insbesondere dem Behälter aus.The housing also has a process connection at the second end close to the process, by means of which the field device can be attached to a container. The process connection is part of the housing and can be designed in one piece with the other part of the housing or separately. The process connection forms the mechanical interface between the field device and the process environment, in particular the container.

Wie vorstehend schon erläutert, wird insbesondere über einen Teil des Prozessanschlusses, welcher mit einem Behälter in Verbindung steht und insbesondere in einen Behälter hineinragt, und/oder durch ein am zweiten, prozessnahen Ende angeordnetes Sensorelement Wärme aus der Prozessumgebung in das Feldgerät eingetragen.As already explained above, heat from the process environment is introduced into the field device in particular via a part of the process connection, which is connected to a container and in particular protrudes into a container, and/or through a sensor element arranged at the second end near the process.

Erfindungsgemäß ist in dem Gehäuse eine Wärmeleitstruktur angeordnet. Die Wärmeleitstruktur erstreckt sich von dem zweiten, prozessnahen Ende in Richtung des ersten, prozessfernen Endes bis zu einem Abführabschnitt einer Gehäusewand. Die Wärmeleitstruktur dient entsprechend zur Ableitung von Wärme von dem Prozessanschluss bzw. dem Sensorelement. Der Abführabschnitt, an welchem die Wärme von der Wärmeleitstruktur an das Gehäuse abgegeben wird, ist insbesondere beabstandet zur Elektronik und beabstandet zum zweiten, prozessfernen Ende angeordnet. Der Abführabschnitt ist zudem beabstandet zum Prozessanschluss ausgebildet, und befindet sich außerhalb des Behälters. Die Wärmeleitstruktur leitet die auftretende Wärme insbesondere direkt vom Prozessanschluss und/oder dem Sensorelement zum Abführabschnitt.According to the invention, a heat-conducting structure is arranged in the housing. The heat-conducting structure extends from the second, process-near end in the direction of the first, process-remote end to a discharge section of a housing wall. The heat-conducting structure serves accordingly to dissipate heat from the process connection or the sensor element. The discharge section, at which the heat is released from the heat-conducting structure to the housing, is in particular arranged at a distance from the electronics and at a distance from the second end remote from the process. The discharge section is also designed at a distance from the process connection and is located outside the container. The heat-conducting structure conducts the heat that occurs, in particular directly from the process connection and/or the sensor element to the discharge section.

Die Wärmeleitstruktur ist derart ausgelegt, dass der thermische Widerstand zwischen dem zweiten, prozessnahen Ende und dem Abführabschnitt der Gehäusewand über die Wärmeleitstruktur geringer ist als der thermische Widerstand jedes anderen Verbindungspfades vom zweiten, prozessnahen Ende zur Elektronik. Insbesondere ist der thermische Widerstand geringer als der thermische Widerstand eines Verbindungspfads direkt über das Gehäuse und/oder über einen Hohlleiter zur Elektronik.The heat-conducting structure is designed such that the thermal resistance between the second end close to the process and the discharge section of the housing wall via the heat-conducting structure is lower than the thermal resistance of any other connection path from the second end close to the process to the electronics. In particular, the thermal resistance is lower than the thermal resistance of a connection path directly via the housing and/or via a waveguide to the electronics.

Durch die Wärmeleitstruktur wird die Möglichkeit geboten, die Baugröße des Feldgerätes, d.h. den Abstand zwischen Elektronik und dem zweiten, prozessnahen Ende, zu verringern. Die Wärme wird effektiv über die Wärmeleitstruktur von der Wärmequelle an die Gehäusewand und schließlich an die Umgebung abgegeben. Durch die vergleichsweise große Außenfläche des Gehäuses entsteht hier eine effektive Konvektion.The heat-conducting structure offers the possibility of reducing the size of the field device, i.e. the distance between the electronics and the second end close to the process. The heat is effectively transferred from the heat source to the housing wall and finally to the environment via the heat conduction structure. The comparatively large outer surface of the housing creates effective convection.

Es wird so eine Möglichkeit zur passiven Kühlung des Feldgeräts geschaffen. Unter passiver Kühlung wird gemäß der vorliegenden Anmeldung verstanden, dass der Vorgang der Kühlung selbst ohne die Zufuhr externer Energie erfolgt. Die Kühlung erfolgt damit im vorliegenden Fall durch einen gezielten Abtransport von in das Feldgerät eingetragener Wärme über die Wärmeleitstruktur und die Abgabe der Wärme durch Abstrahlung und Konvektion. Durch eine passive Kühlung wird ein besonders einfacher und kompakter Aufbau erreicht, der zudem auch kostengünstig realisiert werden kann.This creates a possibility for passive cooling of the field device. According to the present application, passive cooling means that the cooling process itself takes place without the supply of external energy. The cows In the present case, development takes place through a targeted removal of heat introduced into the field device via the heat-conducting structure and the release of the heat through radiation and convection. Passive cooling achieves a particularly simple and compact design, which can also be implemented cost-effectively.

Der thermische Widerstand der Wärmeleitstruktur kann über den Bauteilquerschnitt und über die Materialauswahl beeinflusst werden. Dabei weist die Wärmeleitstruktur einen möglichst großen Bauteilquerschnitt auf und ist aus möglichst gut thermisch leitenden Materialien wie z.B. Aluminium, Kupfer oder Titan ausgebildet. Im Vergleich dazu weisen insbesondere das Gehäuse und auch im Falle eines Radarsensors ein Hohlleiter geringere Bauteilquerschnitte auf und sind aus schlechter wärmeleitenden Materialien (z.B. Kunststoff) ausgebildet. Durch dieses Zusammenspiel lässt sich die Wärmeleitung im Bauteil lenken.The thermal resistance of the heat-conducting structure can be influenced via the component cross section and the choice of material. The heat-conducting structure has the largest possible component cross-section and is made of materials that conduct heat as well as possible, such as aluminum, copper or titanium. In comparison, the housing in particular and also, in the case of a radar sensor, a waveguide have smaller component cross sections and are made of poorer heat-conducting materials (e.g. plastic). This interaction allows the heat conduction in the component to be controlled.

Der thermische Widerstand der Wärmeleitstruktur ist insbesondere um 20% geringer und vorzugsweise um 50% geringer als der thermische Widerstand der anderen Verbindungspfade vom Prozessanschluss bzw. Sensorelement zur Elektronik.The thermal resistance of the heat-conducting structure is in particular 20% lower and preferably 50% lower than the thermal resistance of the other connection paths from the process connection or sensor element to the electronics.

Die Bauteildicke der Wärmeleitstruktur ist mindestens doppelt so groß wie die Bauteildicke eines Hohlleiters oder mindestens um ein Drittel größer als die Bauteildicke des Gehäuses außerhalb des Prozessanschlusses. Als Bauteildicke wird insbesondere die Erstreckung eines Bauteils in radialer Richtung des Gehäuses bezeichnet.The component thickness of the heat-conducting structure is at least twice as large as the component thickness of a waveguide or at least a third larger than the component thickness of the housing outside the process connection. In particular, the extent of a component in the radial direction of the housing is referred to as component thickness.

Die wirksame Querschnittsfläche der Wärmeleitstruktur ist mindestens doppelt so groß und bevorzugt mindestens viermal mal so groß wie die wirksame Querschnittsfläche eines Hohlleiters. Ferner ist die wirksame Querschnittsfläche mindestens anderthalbmal so groß wie die wirksame Querschnittsfläche des Gehäuses zwischen Prozessanschluss und Abführabschnitt. Als wirksame Querschnittsfläche wird dabei die Querschnittsfläche bezeichnet, welche senkrecht zum thermischen Fluss ausgerichtet istThe effective cross-sectional area of the heat-conducting structure is at least twice as large and preferably at least four times as large as the effective cross-sectional area of a waveguide. Furthermore, the effective cross-sectional area is at least one and a half times as large as the effective cross-sectional area of the housing between the process connection and the discharge section. The effective cross-sectional area is the cross-sectional area that is aligned perpendicular to the thermal flow

Die Wärmeleitstruktur erstreckt sich insbesondere über mehr als 50% der Länge des Gehäuses. Insbesondere erstreckt sich die Wärmeleitstruktur über ca. 2/3 der Distanz vom zweiten, prozessnahem Ende zum Ende des Hohlleiters.The heat-conducting structure extends in particular over more than 50% of the length of the housing. In particular, the heat-conducting structure extends over approximately 2/3 of the distance from the second end close to the process to the end of the waveguide.

In einer praktischen Ausführungsform des Feldgerätes ist die Wärmeleitstruktur einstückig als Wärmeleitelement ausgebildet. Das Wärmeleitelement grenzt dann insbesondere unmittelbar an den Prozessanschluss und/oder das Sensorelement an. Das Wärmeleitelement kann insbesondere im Falle eines Radarsensors auch die Hornantenne bilden.In a practical embodiment of the field device, the heat-conducting structure is designed in one piece as a heat-conducting element. The heat-conducting element then borders, in particular, directly on the process connection and/or the sensor element. The heat-conducting element can also form the horn antenna, particularly in the case of a radar sensor.

Alternativ ist die Wärmeleitstruktur mehrteilig ausgebildet und umfasst insbesondere ein Zwischenstück und ein Wärmeleitelement. Diese mehrteilige Ausbildung kann insbesondere für nach dem Radarprinzip arbeitende Füllstandmessgeräte vorteilhaft sein. Das Zwischenstück fungiert einerseits als Teil der Wärmeleitstruktur, indem es Wärme von dem Prozessanschluss und/oder dem Sensorelement (z.B. der Linse) ableitet. Das Zwischenstück dient anderseits gleichzeitig als Hornantenne zur Weiterleitung und Formgebung der Radarstrahlung und kann primär auf die Formung der Radarstrahlung hin optimiert sein. Das Zwischenstück ist insbesondere aus Edelstahl. Das Wärmeleitelement dient dann der Wärmeableitung und ist hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit optimiert.Alternatively, the heat-conducting structure is designed in several parts and in particular includes an intermediate piece and a heat-conducting element. This multi-part design can be particularly advantageous for level measuring devices that work on the radar principle. On the one hand, the intermediate piece acts as part of the heat-conducting structure by dissipating heat from the process connection and/or the sensor element (e.g. the lens). On the other hand, the intermediate piece also serves as a horn antenna for forwarding and shaping the radar radiation and can be optimized primarily for the shaping of the radar radiation. The intermediate piece is particularly made of stainless steel. The heat-conducting element then serves to dissipate heat and is optimized in terms of thermal conductivity.

Bei einer mehrteiligen Wärmeleitstruktur kann der Übergang der einzelnen Teile verbessert sein. Insbesondere mittels Wärmeleitpaste oder Wärmeleitpads lässt sich ein hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit verbesserter Übergang zwischen verschiedenen Bauteilen erreichen. Beispielsweise kann Wärmeleitpaste und/oder Wärmeleitpads an der Grenzfläche zwischen dem Zwischenstück und dem Wärmeleitelement angeordnet sein.With a multi-part heat-conducting structure, the transition between the individual parts can be improved. In particular, using thermal paste or thermal pads, an improved transition between different components can be achieved in terms of thermal conductivity. For example, thermal paste and/or thermal pads can be arranged at the interface between the intermediate piece and the heat-conducting element.

Insbesondere weitet sich die Wärmeleitstruktur ausgehend von dem zweiten, prozessnahen Ende zum Abführabschnitt an der Gehäusewand mindestens in einem Bereich auf. Die Aufweitung kann dabei trichterförmig oder auch parabelförmig sein. Die wirksame Querschnittsfläche der Wärmeleitstruktur kann dabei zunehmend sein. Das heißt, die Materialstärke bleibt gleich oder nimmt zu. Die Vergrößerung der wirksamen Querschnittsfläche ist dann auf den größer werdenden Radius der sich trichterförmig erweiternden Wärmeleitstruktur zurückzuführen. Durch einen sich vergrößernden wirksamen Querschnitt, wird sichergestellt, dass auch bei einem zusätzlichen Wärmeeintrag im Bereich der Wärmeleitstruktur die Wärmestromdichte nicht zunimmt.In particular, the heat-conducting structure widens at least in one area, starting from the second end near the process to the discharge section on the housing wall. The expansion can be funnel-shaped or parabolic. The effective cross-sectional area of the heat-conducting structure can be increasing. This means that the material thickness remains the same or increases. The increase in the effective cross-sectional area is then due to the increasing radius of the funnel-shaped expanding heat-conducting structure. An increasing effective cross-section ensures that the heat flow density does not increase even with additional heat input in the area of the heat-conducting structure.

Alternativ kann die wirksame Querschnittsfläche gleichbleiben, was dann mit einer geringeren Materialstärke einhergeht.Alternatively, the effective cross-sectional area can remain the same, which is then accompanied by a lower material thickness.

In einer weiteren praktischen Ausführungsform des Feldgerätes ist die Wärmeleitstruktur zumindest abschnittsweise thermisch vom Gehäuse entkoppelt. Insbesondere ist die Wärmeleitstruktur in einem Abschnitt zwischen ihrem prozessnahen Ende und dem Abführabschnitt an der Gehäusewand thermisch von dem Gehäuse entkoppelt. Durch diese Entkopplung wird erreicht, dass die Wärme möglichst über die Wärmeleitstruktur abgeführt wird und das Gehäuse zwischen Prozessanschluss und Abführabschnitt nicht zusätzlich aufgewärmt wird. Zur thermischen Entkopplung kann zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Gehäuse beispielsweise ein Spalt (gefüllt mit Fluid oder evakuiert) ausgebildet sein und/oder thermisch isolierendes Material angeordnet sein.In a further practical embodiment of the field device, the heat-conducting structure is thermally decoupled from the housing at least in sections. In particular, the heat-conducting structure is thermally decoupled from the housing in a section between its end near the process and the discharge section on the housing wall. This decoupling ensures that the heat is dissipated as far as possible via the heat-conducting structure The housing between the process connection and the discharge section is not additionally heated. For thermal decoupling, for example, a gap (filled with fluid or evacuated) can be formed between the heat-conducting structure and the housing and/or thermally insulating material can be arranged.

Um eine möglichst gute Wärmeableitung zu realisieren, kann am prozessnahen Ende der Wärmeleitstruktur (d.h. insbesondere am Übergang zum Prozessanschluss und/oder zum Sensorelement) und/oder zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Abführabschnitt eine Wärmeleitschicht angeordnet sein, sodass der Übergangswiderstand möglichst gering ist. Bei der Wärmeleitschicht kann es sich insbesondere um Wärmeleitpads und/oder Wärmeleitpaste handeln.In order to achieve the best possible heat dissipation, a heat-conducting layer can be arranged at the end of the heat-conducting structure close to the process (i.e. in particular at the transition to the process connection and/or to the sensor element) and/or between the heat-conducting structure and the dissipation section, so that the contact resistance is as low as possible. The thermally conductive layer can in particular be thermally conductive pads and/or thermal paste.

Die Elektronik kann weiter vor thermischer Belastung geschützt werden, wenn an einer in Richtung der Gehäuseinnenseite weisenden Innenfläche der Wärmeleitstruktur zumindest teilweise eine wärmedämmende Isolierschicht angeordnet ist. Insbesondere ist die Wärmeleitstruktur mit einer solchen Isolierschicht beschichtet. Wenn ein Wärmeleitelement als Teil der Wärmeleitstruktur vorgesehen ist, ist das Wärmeleitelement insbesondere vollflächig an der Innenseite mit der Isolierschicht versehen. Mittels der Isolierschicht soll verhindert werden, dass Wärme von der Wärmeleitstruktur in den Gehäuseinnenraum zum ersten, prozessfernen Ende, insbesondere in Richtung der Elektronik abgestrahlt wird.The electronics can be further protected from thermal stress if a heat-insulating insulating layer is at least partially arranged on an inner surface of the heat-conducting structure pointing towards the inside of the housing. In particular, the heat-conducting structure is coated with such an insulating layer. If a heat-conducting element is provided as part of the heat-conducting structure, the heat-conducting element is provided with the insulating layer over the entire surface in particular on the inside. The insulating layer is intended to prevent heat from being radiated from the heat-conducting structure into the interior of the housing to the first end remote from the process, in particular in the direction of the electronics.

In einer weiteren praktischen Ausführungsform kann in dem Gehäuse, auf der prozessfernen Seite der Wärmeleitstruktur ein wärmedämmendes Isolierelement angeordnet sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein zwischen der Wärmeleitstruktur und der Elektronik angeordnetes scheibenförmiges Element handeln, welches sich zumindest über einen Teil des Querschnitts des Gehäuseinnenraums erstreckt. Im Falle eines Radarsensors handelt es sich insbesondere um eine Scheibe, welche den Hohlleiter ringförmig umgibt. Das wärmedämmende Isolierelement dient dazu, die Elektronik gegenüber Wärme aus dem Gehäuseinnenraum abzuschirmen.In a further practical embodiment, a heat-insulating insulating element can be arranged in the housing on the side of the heat-conducting structure remote from the process. This can be, for example, a disk-shaped element arranged between the heat-conducting structure and the electronics, which extends over at least part of the cross section of the housing interior. In the case of a radar sensor, it is in particular a disk which surrounds the waveguide in a ring. The heat-insulating insulating element serves to shield the electronics from heat from the interior of the housing.

Alternativ oder in Ergänzung dazu, ist eine Isolierstruktur in der Gehäusewand angeordnet. So kann das Gehäuse mehrteilig sein oder es kann ein Einlegeteil in der Gehäusewand angeordnet sein. Die Isolierstruktur ist insbesondere zwischen dem Abführabschnitt und der Elektronik angeordnet, um eine Wärmeleitung von dem Abführabschnitt über das Gehäuse zur Elektronik weiter zu minimieren. Bei der Isolierstruktur kann es sich um einen Spalt (gefüllt oder evakuiert) oder auch um ein Einsetzteil, insbesondere aus einem thermisch isolierenden Material, bspw. Kunststoff handeln.Alternatively or in addition to this, an insulating structure is arranged in the housing wall. The housing can be made up of several parts or an insert can be arranged in the housing wall. The insulating structure is arranged in particular between the discharge section and the electronics in order to further minimize heat conduction from the discharge section via the housing to the electronics. The insulating structure can be a gap (filled or evacuated) or an insert part, in particular made of a thermally insulating material, for example plastic.

Die Wärmeleitung über die Wärmeleitstruktur kann weiter verbessert werden, wenn die Gehäusewand im Bereich des Abführabschnittes außenseitig Kühlstrukturen aufweist. Hierbei können auf der Außenseite des Gehäuses beispielsweise Kühlrippen, ein Kühlkörper und/oder ein Wärmetauscher angeordnet oder ausgebildet sein.The heat conduction via the heat-conducting structure can be further improved if the housing wall has cooling structures on the outside in the area of the discharge section. Here, for example, cooling fins, a heat sink and/or a heat exchanger can be arranged or formed on the outside of the housing.

Die Wärmeleitstruktur kann insbesondere noch mindestens ein Wärmerohr (auch als heat pipe bezeichnet) aufweisen. Derartige Wärmerohre arbeiten nach dem Prinzip, dass Wärme zwischen einem zu kühlenden Objekt (hier: Prozessanschluss und/oder Sensorelement) und einem Kühlkörper (hier: Gehäusewand) durch Verdampfen eines Mediums transportiert wird, insbesondere durch Konvektion. Am Kühlkörper erfolgt eine Kondensation des verdampften Mediums und damit die Abgabe von Wärme. Das kondensierte, abgekühlte Medium strömt dann zurück zum Prozessanschluss und/oder zum Sensorelement, wo es wieder verdampft und so der Wärmetransport aufrechterhalten wird. Das Strömen des abgekühlten Mediums kann dabei durch die Schwerkraft oder auch durch Kapillarkräfte angetrieben sein.The heat-conducting structure can in particular have at least one heat pipe (also referred to as a heat pipe). Such heat pipes work on the principle that heat is transported between an object to be cooled (here: process connection and/or sensor element) and a heat sink (here: housing wall) by evaporation of a medium, in particular by convection. The evaporated medium condenses on the heat sink and heat is released. The condensed, cooled medium then flows back to the process connection and/or to the sensor element, where it evaporates again and heat transport is maintained. The flow of the cooled medium can be driven by gravity or by capillary forces.

Insbesondere handelt es sich bei dem Feldgerät um ein Radarmessgerät zur Messung eines Füllstandes. Das Radarmessgerät weist dann eine Elektronik mit Radarchip (Transducer) am ersten, prozessfernen Ende und ein Sensorelement (Antenne und insbesondere zusätzlich eine Linse) am zweiten, prozessnahen Ende auf. Ferner weist das Radarmessgerät einen Hohlleiter auf, wobei sich der Hohlleiter von dem Sensorelement (Antenne und insbesondere Linse) zur Elektronik (Radarchip) erstreckt. Die Wärmeleitstruktur ist den Hohlleiter zumindest teilweise umgebend angeordnet. Insbesondere umgibt die Wärmeleitstruktur den Hohlleiter über seinen gesamten Umfang und insbesondere über den Großteil der Höhe des Hohlleiters. Mittels der Wärmeleitstruktur wird ein Wärmetransport über den Hohlleiter bis zur Elektronik möglichst vermieden. Insbesondere handelt es sich bei der Wärmeleitstruktur um ein vom Hohlleiter separates Bauteil. Die Wärmeleitstruktur ist vorzugsweise vom Hohlleiter beanstandet und thermisch vom Hohlleiter isoliert. Insofern ist insbesondere der Übergangswiderstand am zweiten, prozessnahen Ende zwischen Prozessanschluss und Hohlleiter und/oder zwischen Sensorelement und Hohlleiter sowie am ersten, prozessfernen zwischen Hohlleiter und Elektronik sehr hoch ausgelegt. Dadurch wird die Wärme möglichst weg vom Hohlleiter zum Wärmeleitbauteil gelenkt.In particular, the field device is a radar measuring device for measuring a fill level. The radar measuring device then has electronics with a radar chip (transducer) at the first end remote from the process and a sensor element (antenna and in particular additionally a lens) at the second end close to the process. Furthermore, the radar measuring device has a waveguide, the waveguide extending from the sensor element (antenna and in particular lens) to the electronics (radar chip). The heat-conducting structure is arranged at least partially surrounding the waveguide. In particular, the heat-conducting structure surrounds the waveguide over its entire circumference and in particular over the majority of the height of the waveguide. By means of the heat-conducting structure, heat transport via the waveguide to the electronics is avoided as much as possible. In particular, the heat-conducting structure is a component that is separate from the waveguide. The heat-conducting structure is preferably located against the waveguide and is thermally insulated from the waveguide. In this respect, the contact resistance at the second end, close to the process, between the process connection and the waveguide and/or between the sensor element and the waveguide, and at the first end, which is remote from the process, between the waveguide and the electronics, is designed to be very high. This directs the heat as far as possible away from the waveguide to the heat-conducting component.

Der Wärmeeintrag in den Hohlleiter wird vermindert, wenn in dem Bereich, in dem der Hohlleiter an das Sensorelement angrenzt, die wirksame Querschnittfläche und/oder die Materialstärke des Hohlleiters kleiner ist als die wirksame Querschnittsfläche bzw. die Materialstärke der Wärmeleitstruktur. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist in dem angrenzenden Bereich die Wärmeleitfähigkeit des Hohlleiters kleiner als die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitstruktur. Insbesondere weist der Hohlleiter an seinem prozessnahen Ende einen Sockel auf, dessen wirksame Querschnittsfläche und Materialstärke kleiner ist als die der Wärmeleitstruktur auf selber Höhe.The heat input into the waveguide is reduced if in the area in which the waveguide adjoins the sensor element, the effective cross-sectional area and/or the material thickness of the waveguide is smaller than the effective cross-sectional area or the material thickness of the heat-conducting structure. Alternatively or in addition to this, the thermal conductivity of the waveguide in the adjacent area is smaller than the thermal conductivity of the thermal conduction structure. In particular, the waveguide has a base at its end close to the process, the effective cross-sectional area and material thickness of which is smaller than that of the heat-conducting structure at the same height.

Insbesondere sind die Wärmeleitstruktur und der Hohlleiter thermisch voneinander entkoppelt. Dies kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass Bauteile, welche in Kontakt zum Hohlleiter stehen, wie z.B. die Antenne und/oder die Linse am Übergang zum Hohlleiter nur geringe Wandstärken aufweisen. Insbesondere sind zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Hohlleiter möglichst thermisch isolierende Materialien angeordnet, wie eine Lage aus Kunststoff und/oder es sind Kerben und Spalte ausgebildet. Ferner ist insbesondere die Kontaktfläche zwischen Hohlleiter und Wärmeleitstruktur minimiert. Der Übergangswiderstand zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Hohlleiter kann auch durch ein Gewinde, mittels welchen der Hohlleiter an der Antenne als Teil der Wärmeleitstruktur befestigt ist, reduziert werden.In particular, the heat-conducting structure and the waveguide are thermally decoupled from one another. This can be achieved in particular by components that are in contact with the waveguide, such as the antenna and/or the lens, having only small wall thicknesses at the transition to the waveguide. In particular, materials that are as thermally insulating as possible are arranged between the heat-conducting structure and the waveguide, such as a layer of plastic and/or notches and gaps are formed. Furthermore, in particular the contact area between the waveguide and the heat-conducting structure is minimized. The contact resistance between the heat-conducting structure and the waveguide can also be reduced by a thread by means of which the waveguide is attached to the antenna as part of the heat-conducting structure.

Zudem kann es sich bei dem Hohlleiter um ein Bauelement aus einem thermisch isolierenden Material handeln, welches innenseitig metallisiert ist. Der Hohlleiter kann zum Beispiel aus einem thermisch stabilen Kunststoff oder einer Keramik sein. Hierdurch kann eine Wärmeleitung entlang des Hohlleiters weiter reduziert werdenIn addition, the waveguide can be a component made of a thermally insulating material, which is metallized on the inside. The waveguide can, for example, be made of a thermally stable plastic or ceramic. This allows heat conduction along the waveguide to be further reduced

Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind nachfolgend in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 ein Feldgerät in Form eines Radarsensors in einer ersten Ausführungsform in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht,
2 den mit II gekennzeichneten Ausschnitt aus 1 in einer vergrößerten Darstellung,
3 ein Feldgerät in Form eines Radarsensors gemäß der ersten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung im Schnitt,
4 ein Feldgerät in Form eines Radarsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform ein einer schematischen Darstellung im Schnitt und
5 ein Feldgerät gemäß einer dritten Ausführungsform mit einem Isolierelement in einer schematischen Darstellung im Schnitt.

Further practical embodiments and advantages are described below in connection with the figures. Show it:

1 a field device in the form of a radar sensor in a first embodiment in a sectioned perspective view,
2 the section marked II 1 in an enlarged view,
3 a field device in the form of a radar sensor according to the first embodiment in a schematic representation in section,
4 a field device in the form of a radar sensor according to a second embodiment, a schematic representation in section and
5 a field device according to a third embodiment with an insulating element in a schematic representation in section.

In 1 ist ein Feldgerät 10 dargestellt, wobei es sich hier bei dem Feldgerät 10 um einen Radarsensor 12 handelt. Das Feldgerät 10 weist ein Gehäuse 14 auf, welches ein erstes, prozessfernes Ende 16 und ein zweites, prozessnahes Ende 18 aufweist.In 1 a field device 10 is shown, the field device 10 being a radar sensor 12. The field device 10 has a housing 14 which has a first end 16 remote from the process and a second end 18 close to the process.

An dem ersten, prozessfernen Ende 16 des Gehäuses 12 ist innerhalb des Gehäuses 12 eine Elektronik 20 angeordnet. Diese umfasst unter anderem mehrere Leiterplatten mit Steuer- und Auswerteelektronik 22 und einen Radarchip 24.Electronics 20 are arranged within the housing 12 at the first, process-remote end 16 of the housing 12. This includes, among other things, several circuit boards with control and evaluation electronics 22 and a radar chip 24.

An dem zweiten, prozessnahen Ende 18 ist ein mehrteiliges Sensorelement 26 angeordnet, wobei hier als Teil des Sensorelementes 26 die von einem Zwischenstück 28 geformte Hornantenne 30 und eine dielektrische Linse 32 angeordnet sind. An die Linse 32 schließt sich in Richtung des ersten, prozessfernen Endes 16 eine Füllung 33 an, welche sich bis zu einem Hohlleiter 34 erstreckt. Die Füllung 33 ist aus einem dielektrischen Material und weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf.A multi-part sensor element 26 is arranged at the second end 18 close to the process, the horn antenna 30 formed by an intermediate piece 28 and a dielectric lens 32 being arranged here as part of the sensor element 26. A filling 33 adjoins the lens 32 in the direction of the first, process-remote end 16, which extends up to a waveguide 34. The filling 33 is made of a dielectric material and has low thermal conductivity.

Zwischen dem Sensorelement 26 und dem Radarchip 24 erstreckt sich in Längsrichtung des Gehäuses 12 der Hohlleiter 34. Über den Hohlleiter 34 werden emittierte und zurückreflektierte Radarstrahlen zwischen dem Radarchip 24 und der Hornantenne 30 bzw. Linse 32 übertragen. Der Hohlleiter 34 ist an seinem prozessfernen Ende direkt mit dem Radarchip 24 verbunden. Am prozessnahen Ende weist der Hohlleiter 34 einen Sockel 36 auf, mittels welchem der Hohlleiter 34 in einer entsprechenden Vertiefung in dem Zwischenstück 28 eingeschraubt ist. Between the sensor element 26 and the radar chip 24, the waveguide 34 extends in the longitudinal direction of the housing 12. Emitted and reflected radar beams are transmitted between the radar chip 24 and the horn antenna 30 or lens 32 via the waveguide 34. The waveguide 34 is connected directly to the radar chip 24 at its end remote from the process. At the end close to the process, the waveguide 34 has a base 36, by means of which the waveguide 34 is screwed into a corresponding recess in the intermediate piece 28.

Ferner weist das zweite, prozessnahe Ende 18 des Gehäuses 14 einen Prozessanschluss 38 auf, welcher dazu dient, das Gehäuse 14 an einem Behälter (hier nicht dargestellt) zu befestigen. Hier ist ein Gewindeabschnitt 40 mit dem Behälter in Kontakt.Furthermore, the second, process-close end 18 of the housing 14 has a process connection 38, which serves to fasten the housing 14 to a container (not shown here). Here a threaded section 40 is in contact with the container.

Das Feldgerät 10 weist zusätzlich eine Wärmeleitstruktur 42 auf. In dieser ersten Ausführungsform bilden das Zwischenstück 28 und ein zusätzliches Wärmeleitelement 44 die Wärmeleitstruktur 42. Die Wärmeleitstruktur 42 in Form des Zwischenstückes 28 und des Wärmeleitelements 44 erstreckt sich von dem Prozessanschluss 38 und hier der Linse 32 als Teil des Sensorelementes 26 bis hin zu einem Abführabschnitt 46 an einer Gehäusewand des Gehäuses 14. Die Wärmeleitstruktur 42 ist so ausgelegt, dass der thermische Widerstand über den Verbindungspfad (A) (gestrichelte Linie) zwischen dem Prozessanschluss 38 über die Wärmeleitstruktur 42 mit Zwischenstück 28 und Wärmeleitelement 44 bis zum Abführabschnitt 46 bzw. von der Linse 32 über die Wärmeleitstruktur 42 mit Zwischenstück 28 und Wärmeleitelement 44 bis zum Abführabschnitt 46 kleiner ist als jeder andere Verbindungspfad vom Prozessanschluss 38 bzw. der Linse 32 zur Elektronik 20. Der Verbindungspfad B1 (strichpunktierte Linie) erstreckt sich hierbei direkt vom Prozessanschluss 38 über das Gehäuse 14 zur Elektronik 30 und der Verbindungspfad B2 (gepunktete Linie) vom Prozessanschluss 38 über den Hohlleiter 34 zur Elektronik 30.The field device 10 additionally has a heat-conducting structure 42. In this first embodiment, the intermediate piece 28 and an additional heat-conducting element 44 form the heat-conducting structure 42. The heat-conducting structure 42 in the form of the intermediate piece 28 and the heat-conducting element 44 extends from the process connection 38 and here the lens 32 as part of the sensor element 26 up to a discharge section 46 on a housing wall of the housing 14. The heat-conducting structure 42 is designed so that the thermal resistance via the connection path (A) (dashed line) between the process connection 38 via the heat-conducting structure 42 with intermediate piece 28 and heat-conducting element 44 to the discharge section 46 or from the lens 32 via the heat-conducting structure 42 with intermediate piece 28 and heat-conducting element 44 to the discharge section 46 is smaller than any other connection path from the process connection 38 or the lens 32 to the electronics 20. The connection path B1 (dash-dotted line) extends directly from the process connection 38 via the housing 14 to the electronics 30 and the connection path B2 (dotted line) from the process connection 38 via the waveguide 34 to Electronics 30.

Die Wärmeleitstruktur 42 umfasst also vorliegend das Zwischenstück 28, welches hier aus Edelstahl ist und das Wärmeleitelement 44, hier aus Aluminium. Das Zwischenstück 28 dient hier ebenfalls als Hornantenne 30 zur Formung der ausgesandten Radarstrahlung.In the present case, the heat-conducting structure 42 therefore comprises the intermediate piece 28, which is here made of stainless steel, and the heat-conducting element 44, here made of aluminum. The intermediate piece 28 also serves here as a horn antenna 30 to shape the emitted radar radiation.

Das Wärmeleitelement 44 erstreckt sich zwischen seinem prozessnahem Ende und dem Abführabschnitt 46 in einem oberen Abschnitt 45 trichterförmig. Der obere Abschnitt 45 erstreckt sich hier von dem prozessfernen Ende des Prozessanschlusses 38 bis zum Abführabschnitt 46.The heat-conducting element 44 extends in a funnel shape between its end near the process and the discharge section 46 in an upper section 45. The upper section 45 extends here from the end of the process connection 38 remote from the process to the discharge section 46.

Ferner ist der Übergang zwischen dem Zwischenelement 28 und dem Wärmeleitelement stufenförmig ausgebildet, d.h. das Wärmeleitelement weist einen Absatz 47 auf, welcher korrespondierend zu einem Absatz 49 des Zwischenelementes 28 ausgebildet ist (vgl. 2).Furthermore, the transition between the intermediate element 28 and the heat-conducting element is step-shaped, ie the heat-conducting element has a shoulder 47, which is designed to correspond to a shoulder 49 of the intermediate element 28 (cf. 2 ).

Im Folgenden werden die einzelnen Wärmeübergänge im Detail erläutert.The individual heat transfers are explained in detail below.

Der Wärmeübergang zwischen dem Prozessanschluss 38 bzw. Linse 32 und dem Zwischenstück 28 als Teil der mehrteiligen Wärmeleitstruktur 42 erfolgt durch unmittelbaren Kontakt. Gegebenenfalls kann noch ein Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste genutzt werden, um den Übergangswiderstand zwischen Prozessanschluss 38 und Zwischenstück 28 bzw. zwischen Linse 32 und Zwischenstück 28 zu verbessern.The heat transfer between the process connection 38 or lens 32 and the intermediate piece 28 as part of the multi-part heat-conducting structure 42 takes place through direct contact. If necessary, a thermal pad or thermal paste can be used to improve the contact resistance between the process connection 38 and the intermediate piece 28 or between the lens 32 and the intermediate piece 28.

Um einen möglichst guten Wärmeübergang von dem Zwischenstück 28 auf das Wärmeleitelement 44 auszubilden, stehen diese ebenfalls in direktem Kontakt.In order to achieve the best possible heat transfer from the intermediate piece 28 to the heat-conducting element 44, these are also in direct contact.

In dem Abführabschnitt 46 kontaktiert die Wärmeleitstruktur 42 und hier konkret das Wärmeleitelement 44 das Gehäuse 14 unmittelbar. Auch hier kann zur Reduzierung des thermischen Übergangswiderstands ein Wärmeleitpad angeordnet oder Wärmeleitpaste aufgebracht werden.In the discharge section 46, the heat-conducting structure 42 and here specifically the heat-conducting element 44 contacts the housing 14 directly. Here too, a thermal pad can be arranged or thermal paste can be applied to reduce the thermal contact resistance.

Gleichzeitig soll eine Wärmeübertragung an den Hohlleiter 34 und das Gehäuse 12 gering sein. Die Materialstärke D_H des Hohlleiters 34 ist auf Höhe des Sockels 36 kleiner als die Materialstärke D_W der Wärmeleitstruktur 42 auf derselben Höhe (vgl.At the same time, heat transfer to the waveguide 34 and the housing 12 should be low. The material thickness D _H of the waveguide 34 at the height of the base 36 is smaller than the material thickness D _W of the heat-conducting structure 42 at the same height (cf.

2). 2 ).

Das Wärmeleitelement 44 ist beabstandet von dem Hohlleiter 34 angeordnet und zusätzlich noch durch einen Spalt 48 getrennt. Zwischen Zwischenstück 28 und dem Sockel 36 des Hohlleiters 34 tragen zur thermischen Entkopplung in radialer Richtung ferner ein Spalt 50 und ein Gewinde 52 bei (vgl. 2).The heat-conducting element 44 is arranged at a distance from the waveguide 34 and is additionally separated by a gap 48. Between the intermediate piece 28 and the base 36 of the waveguide 34, a gap 50 and a thread 52 also contribute to thermal decoupling in the radial direction (cf. 2 ).

Vom zweiten, prozessnahen 18 Ende in Richtung des Abführabschnittes 46 steht das Zwischenstück 28 zunächst unmittelbar in Kontakt mit dem Prozessanschluss 38, ist anschließend über ein Gewinde 54 mit dem Prozessanschluss 38 verbunden und daran anschließend ist das Wärmeleitelement 44 thermisch von dem Prozessanschluss 38 und Gehäuse 14 entkoppelt, durch einen Luftspalt 56. Im Bereich des Abführabschnittes 46 liegt die Wärmeleitstruktur 42 direkt an dem Gehäuse 14 an.From the second end close to the process 18 in the direction of the discharge section 46, the intermediate piece 28 is initially in direct contact with the process connection 38, is then connected to the process connection 38 via a thread 54 and then the heat-conducting element 44 is thermally separated from the process connection 38 and housing 14 decoupled, through an air gap 56. In the area of the discharge section 46, the heat-conducting structure 42 rests directly on the housing 14.

In 3 ist eine schematische Ansicht eines Feldgerätes 10 gemäß der ersten Ausführungsform gezeigt, wobei die Wärmeleitstruktur 42 ebenfalls aus einem Zwischenstück 28 und einem Wärmeleitelement 44 besteht.In 3 a schematic view of a field device 10 according to the first embodiment is shown, wherein the heat-conducting structure 42 also consists of an intermediate piece 28 and a heat-conducting element 44.

Auch wenn dies hier nicht dargestellt ist, ist auch denkbar, die Wärmeleitstruktur 42 einstückig aus Zwischenstück 28 und Wärmleitelement 44 auszubilden.Even if this is not shown here, it is also conceivable to form the heat-conducting structure 42 in one piece from the intermediate piece 28 and the heat-conducting element 44.

Im Folgenden wird zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform für identische oder zumindest funktionsgleiche Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet, wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform.In the following, the same reference numbers are used to describe a further embodiment for identical or at least functionally identical components as to describe the first embodiment.

In 4 ist eine zweite Ausführungsform eines Feldgerätes 10 dargestellt. Es handelt sich hierbei ebenfalls um einen Radarsensor 12. Das Feldgerät gemäß dieser zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Wärmeleitstruktur 42 hier einstückig ausgebildet ist und nur das Wärmeleitelement 44 aufweist. Die Hornantenne 30, welche vorher durch das Zwischenstück 28 gebildet war, ist hier einstückig mit dem Prozessanschluss 38 ausgebildet.In 4 a second embodiment of a field device 10 is shown. This is also a radar sensor 12. The field device according to this second embodiment differs from the first embodiment in that the heat-conducting structure 42 is formed here in one piece and only has the heat-conducting element 44. The horn antenna 30, which was previously formed by the intermediate piece 28, is here formed in one piece with the process connection 38.

Der Wärmeübertrag vom Prozessanschluss 38 erfolgt dann an einer dem zweiten, prozessnahen Ende 18 abgewandten Stirnfläche 58 auf das Wärmleitelement 44, welches sich vom dem Prozessanschluss 38 direkt bis zum Abführabschnitt 46 erstreckt. Das Wärmeleitelement ist hier aus Aluminium ausgebildet.The heat transfer from the process connection 38 then takes place on an end face 58 facing away from the second, process-near end 18 to the heat-conducting element 44, which extends from the process connection 38 directly to the discharge section 46. The heat-conducting element is made of aluminum here.

Die in 5 gezeigte dritte Ausführungsform eines Feldgerätes 10 entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform aus 1 und 2. Hier ist zusätzlich noch im Gehäuseinnenraum 60 ein Isolierelement angeordnet. Das Isolierelement 60 ist hier auf der zum ersten, prozessfernen Ende gerichteten Seite der Wärmeleitstruktur 42 angeordnet. Das Isolierelement 62 ist tellerförmig ausgebildet und erstreckt sich über den gesamten Querschnitt des Gehäuseinnenraums 60 und weist eine Aussparung für den Hohlleiter 34 auf. Das Isolierelement 62 verhindert, dass Wärme, die von der Wärmeleitstruktur 42 abgestrahlt wird, durch den Gehäuseinnenraum 60 zur Elektronik 20 gelangt.In the 5 The third embodiment of a field device 10 shown essentially corresponds to the first embodiment 1 and 2 . Here An insulating element is additionally arranged in the housing interior 60. The insulating element 60 is arranged here on the side of the heat-conducting structure 42 directed towards the first end remote from the process. The insulating element 62 is plate-shaped and extends over the entire cross section of the housing interior 60 and has a recess for the waveguide 34. The insulating element 62 prevents heat that is radiated from the heat-conducting structure 42 from reaching the electronics 20 through the housing interior 60.

Zusätzlich oder in Ergänzung dazu, kann die Innenfläche 64 des Wärmeleitelementes 42 hier mit einer thermisch isolierenden Schicht versehen sein (nicht dargestellt).Additionally or in addition to this, the inner surface 64 of the heat-conducting element 42 can be provided here with a thermally insulating layer (not shown).

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010: FeldgerätField device
1212: RadarsensorRadar sensor
1414: GehäuseHousing
1616: erstes, prozessfernes Endefirst, non-procedural end
1818: zweites, prozessnahes Endesecond, close to the process end
2020: Elektronikelectronics
2222: Leiterplatten (Steuer- und Auswerteelektronik)Circuit boards (control and evaluation electronics)
2424: RadarchipRadar chip
2626: SensorelementSensor element
2828: ZwischenstückIntermediate piece
3030: HornantenneHorn antenna
3232: Linselens
3333: Füllungfilling
3434: HohlleiterWaveguide
3636: Sockelbase
3838: ProzessanschlussProcess connection
4040: Gewinde (am Prozessanschluss)Thread (on the process connection)
4242: WärmeleitstrukturThermal conduction structure
4444: WärmleitelementHeat conducting element
4545: oberer Abschnittupper section
4646: Abführabschnittdischarge section
4747: AbsatzParagraph
4848: Spaltgap
4949: AbsatzParagraph
5050: Spalt (zwischen Zwischenstück und Hohlleiter)Gap (between intermediate piece and waveguide)
5252: Gewinde (zwischen Zwischenstück und Hohlleiter)Thread (between intermediate piece and waveguide)
5454: Gewinde (zwischen Zwischenstück und Prozessanschluss)Thread (between intermediate piece and process connection)
5656: Spalt (zwischen Gehäuse und Wärmeleitstruktur) Gap (between housing and heat conduction structure)
5858: Stirnfläche face
6060: GehäuseinnenraumHousing interior
6262: IsolierelementInsulating element
6464: InnenflächeInner surface
AA: VerbindungspfadConnection path
B1B1: VerbindungspfadConnection path
B2B2: VerbindungspfadConnection path

Claims

Field device with a housing (12), wherein the housing (12) has a first, process-remote end (16) and a second, process-near end (18) and wherein in the housing (12) at the first, process-remote end (16). Electronics (20) is arranged, and wherein a sensor element (26) is arranged in the housing (12) at the second, process-near end (18), and wherein the housing (12) has a process connection (18) at the second, process-near end (18). 38), characterized in that a heat-conducting structure (42) is arranged in the housing (12), which extends from the second, process-close end (18) in the direction of the first, process-remote end (16) to a discharge section (46). extends on a housing wall and wherein the heat-conducting structure (42) is designed such that the thermal resistance of a connection path (A) between the second end (18) near the process and the discharge section (46) via the heat-conducting structure (42) is lower than the thermal Resistance of every other connection path (B1, B2) from the second end (18) close to the process to the electronics (20).

Field device according to the preceding claim, characterized in that the heat-conducting structure (42) is designed in one piece as a heat-conducting element (44).

Field device according to the above Claim 1 , characterized in that the heat-conducting structure (42) comprises an intermediate piece (28) and a heat-conducting element (44).

Field device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat-conducting structure (42) widens at least in one area starting from the second, process-close end (18) to the discharge section (46).

Field device according to one of the preceding claims, characterized in that Heat-conducting structure (42) is at least partially thermally decoupled from the housing (12).

Field device according to one of the preceding claims, characterized in that a heat-conducting layer is arranged on the housing wall at the end of the heat-conducting structure (42) close to the process and/or between the heat-conducting structure (42) and the discharge section (46).

Field device according to one of the preceding claims, characterized in that a heat-insulating insulating layer is arranged on an inner surface (64) of the heat-conducting structure (42) pointing in the direction of the inside of the housing (60).

Field device according to one of the preceding claims, characterized in that a heat-insulating insulating element (62) is arranged in the housing (12) on the side of the heat-conducting structure (42) remote from the process.

Field device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing wall has at least one cooling structure on the outside in the area of the discharge section (46).

Field device according to one of the preceding claims, characterized in that the field device (10) is a radar measuring device (12) with a waveguide (34), the waveguide (34) extending from the sensor element (26) to the electronics (20 ) extends and the heat-conducting structure (42) is arranged at least partially surrounding the waveguide (34).

Field device according to the preceding claim, characterized in that at least in the area in which the waveguide (42) adjoins the sensor element (16), the effective cross-sectional area of the waveguide (46) is smaller than the effective cross-sectional area of the heat-conducting structure (42).

Field device according to one of the two preceding claims, characterized in that at least in the area in which the waveguide (42) adjoins the sensor element (16), the material thickness D _H of the waveguide (46) is smaller than the material thickness D _W of the heat-conducting structure (42).

Field device according to one of the three preceding claims, characterized in that the heat-conducting structure (42) and the waveguide (34) are thermally decoupled.